os-2-1-进程管理(新)

第二章 进程管理
§1 进程概念 §2 进程描述 进程状态及转换 §3 进程状态及转换 §4 进程控制 §5 进程互斥 §6 进程同步 §7 进程通信
重点和难点： 进程的定义和特征 进程的同步和互斥 用信号量机制解决进程同步、互斥、 用信号量机制解决进程同步、互斥、前趋图问 题
2.1 进程的概念
2.1.1 程序的顺序执行 1.基本概念 1.基本概念
例：若有两条语句c＝a－b和w＝c＋1，判断 若有两条语句 ＝ － 和 ＝ ＋ ， 它们是否可以并发执行？ 它们是否可以并发执行？ 解：它们的“读集”和“写集”分别为 它们的“读集” 写集” R（C：＝ －b）＝ ，b}；R（W：＝ ＋ ：＝a－ ）＝ ）＝{a， ； （ ：＝ ：＝c＋ （ ：＝ 1）＝ ）＝{c} ）＝ W（C：＝ W（C：＝a－b）＝{c} ；W（W：＝c＋1） ：＝a－b）＝ ）＝{c} W（W：＝ ：＝c＋1） ＝{w} R（C：＝ －b）∩W（Wi：＝ ＋1）={Φ} ：＝a－ ） （ ：＝ （ ：＝c＋ ） Φ R（W：＝ ＋1）∩W（C：＝ －b）={c} ：＝c＋ ） ：＝a－ ） （ ：＝ （ ：＝ 所以：两条语句不能并发执行。 所以：两条语句不能并发执行。
– – – – –
1 直接前趋 2 直接后继 3 初始结点 4 终止结点 5 结点的重量：该结点所含的程序量或结点的执行时间 来计算。
2
5 7 6
1
3
4
七个结点的前趋图
存在下面的前趋关系： P2，P1 P3；P1 P4；P2 P5；P3 P5；P5 P7; P1 P4 P6，P6 P7 或表示为： P＝{P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7} ={(P1,P2),(P1,P3),(P1,P4),(P2,P5),(P3,p5),(P4,P6),(P5,P7),(P6,P7)}
cobegin/coend表示并发结构，其中的程序可以并发执行。由 表示并发结构，其中的程序可以并发执行。 表示并发结构 于程序A和 都是异步执行 都是异步执行， 于程序 和B都是异步执行，它们的语句在时间上可能是穿 插或交叉执行的，故程序A的n:＝n＋1操作既可能在程序 插或交叉执行的，故程序 的 ＝ ＋ 操作既可能在程序B 操作既可能在程序 操作之前或之后执行， 的print(n)和n:＝0操作之前或之后执行，也可能在它们之间 和 ＝ 操作之前或之后执行 执行(即 ＝ ＋ 出现在 出现在print(n)之后，而在 ＝0之前 。于 之后， 之前)。 执行 即n:＝n＋1出现在 之后 而在n:＝ 之前 是，程序的运行可能产生三组不同的执行轨迹和结果(设在 程序的运行可能产生三组不同的执行轨迹和结果 设在 开始某个循环之前n＝ ： 开始某个循环之前 ＝v)：
其实，同一语句的“读集”和“写集”也 其实，同一语句的“读集” 写集” 可能相同（交集不为空） 可能相同（交集不为空） 例如：计数语句： 例如：计数语句： x＝x＋1 读集和写集相同R ）＝W 读集和写集相同R（x＝x＋1）＝W（x＝ x＋1）＝{x} ）＝{x}
课后练习
Bernstein条件判断以下四条语句是 例：用Bernstein条件判断以下四条语句是 否两两可以并发执行。 否两两可以并发执行。 S1： a：＝x＋y S1： ：＝x S2： b：＝z＋1 S2： ：＝z S3： C：＝a－b S3： ：＝a S4： w：＝c＋1 S4： ：＝c
将程序中任一语句Si划分为两个变量的集合 Si） 将程序中任一语句Si划分为两个变量的集合 Si R（Si） Si） 其中R Si）＝ 和W（Si）, 其中R（Si）＝ {a1,a2,……am}是语句Si在执行其间必须对其进行读的 am}是语句Si在执行其间必须对其进行读的 {a1,a2, am}是语句Si 变量,称为读集; 变量,称为读集; Si）＝{b1，b2， ）＝{b1 bn}是语句Si在执行其间必须对 W（Si）＝{b1，b2，……bn}是语句Si在执行其间必须对 bn}是语句Si 其进行修改的变量,称为写集; 其进行修改的变量,称为写集; 如果对于语句S1 S2， S1和 如果对于语句S1和S2，有 R(S1)∩W(S2)＝ ① R(S1)∩W(S2)＝{Φ} W(S1)∩R(S2)＝ ② W(S1)∩R(S2)＝{Φ} ∩W(S2)={Φ}同时成立 ③W(S1) ∩W(S2)={Φ}同时成立 ∩W(S2)＝ 即：R(S1)∩W(S2) ∪W(S1)∩R(S2)∪W(S1) ∩W(S2)＝ {Φ},则语句S1和S2是可以并发执行的 则语句S1 是可以并发执行的。 {Φ},则语句S1和S2是可以并发执行的。 操作系统中许多任务不满足Bernstein条件，它们不能并发 执行吗？怎么办？这涉及后面重点讲的进程同步问题。
2.程序的并发执行 2.程序的并发执行
一组逻辑上相互独立的程序或程序段在执行 过程中，其执行时间在客观上相互重叠，即一个 程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执行已 经开始的执行方式。
I1
I2
I3
I4
C1
C2
C3
C4
P1
P2
P3
P4
程序并发执行时的前趋图
在对一批程序进行处理时，可以并发执行。 例如，输入、计算、打印三个程序对一批作业进 行处理时，存在以下的前趋关系： Ii→Ci，Ii→Ii+1，Ci→Pi，Ci→Ci+1， Pi→Pi+1 对一个作业的输入 计算和打印三个操作,必须顺序 执行,但并不存在Pi → Ii＋1. Ii＋1和Ci及Pi－1是可以并发执行的。
程序并发执行不可再现性举例
共享ห้องสมุดไป่ตู้值为0的变量N的两程序段A、B
A: N:=N+1 B: Print(N); N:=0
执行结果分析
先A: 1, 1, 0 中A: 0, 1, 0 后A: 0, 0, 1
设有两个循环结构的程序A和B，它们共享一个公共变 量n。程序A每执行一次循环都要作n：＝n＋1操作；程序B 在每一次循环中打印出n的值，然后将n置0。对此的 PASCAL描述如下：
前趋图
为了描述一个程序的各部分(程序段或语句)间的依赖 关系，或者是一个大的计算的各个子任务间的因果关 系，我们常常采用前趋图方式。
图 九个结点的前趋图
前趋图（Procedence Graph）：是一个有向无循 环图，图中的每个结点可用于表示一条语句，一 个程序段或进程；结点间的有向边则表示在两结 点之间存在的前趋关系 “ ” 。 如果(pi，pj)∈ 可写成pi pj ，称pi是pj 的前趋， 而pj是pi的直接后继。 关于前趋图的几个概念：
有的同学发现，同一语句的“读集” 写集” 有的同学发现，同一语句的“读集”和“写集” 的交集是空集。 的交集是空集。 R（C：＝ －b）∩W（C：＝ －b）＝ Φ} ：＝a－ ） ：＝a－ ）＝ ）＝{Φ （ ：＝ （ ：＝ W（W：＝ ＋1）∩W（W：＝ ＋1）={Φ} ：＝c＋ ） ：＝c＋ ） Φ （ ：＝ （ ：＝
在某道程序段中，包含着一部分可以同时执行或顺序颠 倒执行的代码
例如：read（a）； read（b）； 既可以同时执行，也可以颠倒次序执行，同时执行不会改变顺 序程序所具有的逻辑行知，可采用并发执行来充分利用资源。
间断性、失去封闭性、不可再现性 间断性 – 程序在并发执行时，由于它们共享资源或为完成某一 项任务而合作，致使在并发程序之间存在相互制约的 关系。(I、C、P是三个相互合作的程序，当计算程序 完成Ci－1的计算后，如果输入程序I尚未完成对Ii的处 理，则计算程序无法进行Ci处理，致使计算程序在停 运行。) 失去封闭性 – 程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的各种资 源，因而这些资源的状态将由多个程序来改变，致使 程序的运行失去了封闭性。
4 .程序并发执行的条件 程序并发执行的条件
程序并发执行过程可以描述为： 程序并发执行过程可以描述为： S0 Cobegin P1；P2；……Pn Coend Sn 1966年，Bernstein提出了相邻语句 1，S2可以并发执行的 提出了相邻语句S 年 提出了相邻语句 条件。 条件。 如果并发执行的各程序段中语句或指令满足Bernstein的 如果并发执行的各程序段中语句或指令满足 的 三个条件， 三个条件，则认为并发执行不会对执行结果的封闭性和 可再现性产生影响。 可再现性产生影响。
4、 程序顺序执行时的特征 、
（1） 顺序性
处理机的操作，严格按照程序所规定的顺序执行，即 只有前一操作结束后，才能执行后继操作。
（2） 封闭性（失去交换性）
封闭环境下运行，程序独占全机资源 只有当前运行程序才能改变资源状态 程序执行结果不受外界因素的影响
（3） 可再现性
只要程序执行时的环境和初始条件都相同，不论它是从 头到尾的不停顿的执行，还是“走走停停”地执行，都将获 得相同的结果。
例：下述四条语句的程序段画出前趋图 S1： a：＝x+2 S2： b：＝y＋4 S3： c：＝a＋b S4： d：＝c＋6
S1
S3 S4
S2
3.程序并发执行的特征： 3.程序并发执行的特征： 程序并发执行的特征
多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多道程序的 并发执行
由于资源有限，多道程序的并发执行总是伴随着资源的共享与 竞争，制约了各道程序的执行速度。
程序顺序执行时的特性，将 程序顺序执行时的特性， 为程序员检测和校正程序的 错误， 错误，带来极大的方便
. 多道程序系统中，程序执行环境的变化 多道程序系统中，
计算机能够同时处理多个具有独立功能的程序（如批处 理系统，分时系统、实时系统、网络与分布式系统）。 这样的执行环境具有三个特点： 独立性 :逻辑上独立; 随机性 :程序和数据的输入与执行开始时间都是随机的 资源共享: 硬件资源：CPU、输入输出设备，存储器 软件资源：各种例行程序、各种共享的数据 多道程序环境下执行程序的道数>计算机系统中CPU 的个数 单CPU中，则由N－1道程序处在等待CPU的状态 输入输出设备有限将导致这些设备被共享、内存有限 将导致内存被共享
注意：前趋图中不存在循环。
S2 S3 ， S3 S2 显然这种前趋关系是不可能满足的，S3的执行要依赖 于S2的执行结果，S2的执行结果又要依赖于S3的执行 结果，这种程序是不可能执行下去的。
2.1.2 程序的并发执行 并发环境： 1.并发环境：
在一定时间内物理机器上有两个或两个以上 的程序同处于开始运行但尚未结束的状态，并且 次序不是事先确定的
不可再现性
– 程序在并发执行时，由于失去了封闭性，也导致失去了
可再现性。 例如：有两个循环程序A和B，它们共享一个变量N。程 序A每执行一次时都要做N：＝N＋1操作；程序B每执行 一次时，都要做print（N）操作，然后再将N置成“0”， 程序A和B以不同的速度运行。（假定某时刻变量N的值 为v） （1） N：＝N＋1在print（N）和N：＝0之前，此时得 到的N值分别为n＋1，n＋1，0 （2）N：＝N＋1在print（N）和N：＝0之后，此时得 到的N值分别为 n， 0， 1 （3） N：＝N＋1在 print（N）和N：＝0之间，此时得 到的N值分别为 n， n＋1， 0
I1
C1
P1
I2
C1
P2
程序顺序执行时的前趋图
3. 语句的顺序执行
对于一个程序段中的多条语句来说，也有 一个执行顺序的问题。如果对于下述三条 语句的程序段： S1： a：＝x＋y S2： b：＝a－5 S3： C：＝b＋1 (其中S2必须在a被赋值以后才能执行；同 样S3也只能在b被赋值 以后才能执行)
程序：一个在时间上按严格次序、顺序执行的 操作序列。 程序的顺序执行：一个具有独立功能的程序独占 处理机，直至得到最终结果的过程 。 操作：数据处理的一种规则，一经启动就需要在 有限时间内完成 。 计算：若干操作严格顺序执行的集合 。
2.程序的顺序执行 2.程序的顺序执行
在计算机系统中只有一个程序在运行，这个程 序独占系统中所有资源，其执行不受外界影响。 通常一个程序可分成若干个程序段，它们必须 按照某种先后次序执行，仅当前一操作执行后， 才能执行后继操作。 例如：进行计算。I:输入操作 C:计算操 作 P:打印操作。在进行计算时，总是先输入 用户的程序和数据，然后进行计算，最后将结 果打印出来。